KR20230125712A - 고강도 및 고연성을 갖는 크롬-몰리브덴 강 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고강도 및 고연성을 갖는 크롬-몰리브덴 강 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명의 일 실시예는, 탄소 0.01~0.2중량%, 망간 0.4~0.8중량%, 인 0.02중량% 이하, 황 0.025중량% 이하, 실리콘 0.01~0.80중량%, 크롬 0.5~3.0중량%, 몰리브덴 0.45~1.25중량%, 바나듐 0.05~0.5중량%와 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하는, 크롬-몰리브덴 강을 제공한다.
Description
본 발명은 고강도 및 고연성을 갖는 크롬-몰리브덴 강 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오스테나이트 결정립 계면에 생성된 석출물이 추가적인 열처리에 의해 기지 상에 부분 고용되어 고강도 및 고연성을 갖는 크롬-몰리브덴 강 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
강은 5% 이상의 철분과 함께 탄소, 크롬, 망간, 몰리브덴, 니켈 등의 부가물을 함유하고 있는 금속으로서, 기계, 선박, 건축 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다.
크롬-몰리브덴 강은 강 100중량% 중 2중량% 내외의 크롬 및 1중량% 내외의 몰리브덴을 포함하며, 나머지는 철 및 기타 불가피한 금속을 포함하는 강재를 의미한다.
크롬-몰리브덴 강은 KS 규격 및 JIS 규격상 SCM으로 규정되어 있으며, 높은 내식성을 갖고, 우수한 경도를 지닌 것으로 알려져 있다.
일반적으로 크롬-몰리브덴 강은 강도 향상 및 결정립 미세화를 위해 열처리를 실시하여 많이 사용하고 있으며, 크롬-몰리브덴 강을 변태점(AC3, AC1, Acm) 이상의 고용화 처리 온도로 가열하여 요구되는 기계적 성질에 따라 소입(quenching), 소둔(annealing), 소준(normalizing), 템퍼링(tempering) 등의 열처리를 하게 된다.
이러한 열처리에 의해 크롬-몰리브덴 강 내 오스테나이트 결정립 계면(austenite grain boudnary)에 형성된 석출물에 의해 크롬-몰리브덴 강의 강도가 향상된다.
다양한 산업 분야에서 물성이 우수한 크롬-몰리브덴 강을 필요로 하고 있기 때문에 이러한 크롬-몰리브덴 강에 대한 연구가 계속되고 있으며, 예를 들면, 한국등록특허공보 제10-2142782호에는 물성이 우수한 크롬-몰리브덴 강판으로서 크리프 강도가 우수한 크롬-몰리브덴 강판의 제조방법이 개시되어 있다.
그러나, 여전히 고강도 및 고연성을 갖는 크롬-몰리브덴 강을 지속적으로 개발할 필요가 있다.
본 발명의 일 측면은, 고강도 및 고연성을 갖는 크롬-몰리브덴 강 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 일 실시예는, 탄소 0.2중량% 이하, 망간 0.4~0.8중량%, 인 0.02중량% 이하, 황 0.025중량% 이하, 실리콘 0.80중량% 이하, 크롬 0.5~3.0중량%, 몰리브덴 0.45~1.25중량%, 바나듐 0.5중량% 이하와 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하는, 크롬-몰리브덴 강을 제공한다.
상기 강은 기지 조직(Matrix) 내에 석출물이 부분 고용되어 있을 수 있다.
상기 석출물은 M23C6 탄화물이며, 상기 M은 철, 망간, 몰리브덴 및 크롬 및 바나듐 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 부분 고용된 석출물의 크기는 1㎛ 미만일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 크롬-몰리브덴 강의 제조 방법으로서, 1) 탄소 0.2중량% 이하, 망간 0.4~0.8중량%, 인 0.02중량% 이하, 황 0.025중량% 이하, 실리콘 0.80중량% 이하, 크롬 0.5~3.0중량%, 몰리브덴 0.45~1.25중량%, 바나듐 0.5중량% 이하와 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 혼합 강재를 900~1200℃에서 1~10시간 동안 열처리하는 단계; 2) 상기 열처리된 혼합 강재를 상온까지 냉각하는 단계; 3) 상기 냉각된 혼합 강재를 550~750℃에서 1~10시간 동안 템퍼링 열처리하여 오스테나이트 결정립 계면에 석출물을 생성하는 단계; 및 4) 상기 석출물이 생성된 혼합 강재를 상기 1) 단계의 열처리 온도보다 높은 최대 온도를 갖는 온도 범위에서 10초~5분 동안 열처리함으로써 상기 열처리를 통해 생성된 석출물을 기지 조직(matrix) 상에 부분 고용시키는 단계;를 포함하는, 크롬-몰리브덴 강의 제조 방법을 제공할 수 있다.
상기 4) 단계는 1100~1350℃의 온도에서 열처리될 수 있다.
상기 석출물은 M23C6 탄화물이며, 상기 M은 철, 망간, 몰리브덴, 크롬 및 바나듐 중 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 4) 단계에서 부분 고용된 석출물의 크기는 1㎛ 미만일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 오스테나이트 결정립 계면에 형성된 석출물이 기지 상에 부분적으로 고용되고, 부분적 고용된 띠형상의 미세조직 효과로 고강도 및 고연성을 갖는 크롬-몰리브덴 강의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-몰리브덴 강의 제조 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 2는, 본 발명의 실시예 1의 크롬-몰리브덴 강의 SEM 사진이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-몰리브덴 강에 있어서 열처리에 의해 기지 조직 내에 석출물이 부분 고용되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 실시예 1의 크롬-몰리브덴 강의 인장강도(load) 및 연신율(Elongation) 실험 결과를 나타낸 도이다.
도 5는, 본 발명의 실시예 2의 열처리 단계 중 시간에 대한 온도 변화 그래프 및 Gleeblee 테스트 중 시간에 대한 온도 변화 그래프를 나타낸다.
도 2는, 본 발명의 실시예 1의 크롬-몰리브덴 강의 SEM 사진이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-몰리브덴 강에 있어서 열처리에 의해 기지 조직 내에 석출물이 부분 고용되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 4는, 본 발명의 실시예 1의 크롬-몰리브덴 강의 인장강도(load) 및 연신율(Elongation) 실험 결과를 나타낸 도이다.
도 5는, 본 발명의 실시예 2의 열처리 단계 중 시간에 대한 온도 변화 그래프 및 Gleeblee 테스트 중 시간에 대한 온도 변화 그래프를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-몰리브덴 강은, 탄소 0.2중량% 이하, 망간 0.4~0.8중량%, 인 0.02중량% 이하, 황 0.025중량% 이하, 실리콘 0.80중량% 이하, 크롬 0.5~3.0중량%, 몰리브덴 0.45~1.25중량%, 바나듐 0.5중량% 이하와 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하며, 열처리를 통해 오스테나이트 결정립 계면에 석출물이 생성되며 생성된 석출물은 Special 열처리를 통해 기지 조직(matrix)에 부분 고용된다.
이하에서는, 본 발명에서 제공하는 강의 합금 조성을 위와 같이 한정하는 이유에 대해 설명한다. 본 발명에서 특별히 언급하지 않는 한, 각 원소의 함량을 중량을 기준으로 하며, 함량의 상한값 및 하한값을 포함한다.
탄소 0.2중량% 이하
탄소는 오스테나이트 안정화 원소로써 그 함량에 따라 Ae3 온도와 마르텐사이트 형성 개시 온도를 조절할 수 있는 원소이며, 침입형 원소로 마르텐사이트상의 격자구조에 비대칭적 왜곡을 가하여 강한 강도를 확보하는데 매우 효과적인 원소이다. 그러나 강 중 탄소함량이 0.2중량%를 초과하면, 탄화물이 과도하게 형성된다.
망간 0.4~0.8중량%
망간은 오스테나이트 기지 조직을 안정화시키며, 고용 강화 성능을 갖는다. 망간의 함량이 0.4중량% 미만인 경우 강도가 낮아지며, 0.8중량% 초과시 용접성이 저하된다.
인 0.02중량% 이하
인은 고용 강화 효과를 갖는 원소로서, 함량이 0.02중량%를 초과하게 되면 강에 취성이 발생하고, 용접성이 저하된다.
황 0.025중량% 이하
황은 불순물로서 함량이 0.025중량%를 초과하게 되면 결정립 계면에서 편석되어 취화를 유발하여 인성이 저하된다.
실리콘 0.80중량% 이하
실리콘은 주조시 탈산제로서 사용된다. 실리콘의 함량이 0.80중량%를 초과하게 되면 산세성을 저하시켜 취성이 높아지는 문제가 있다.
크롬 0.5~3.0중량%
크롬은 페라이트 안정화 원소로서, 강도가 우수할 필요가 있는 크롬-몰리브덴 강에서 필수로 사용되는 원소이다. 크롬은 산소와 반응하여 산화크롬의 보호피막을 형성하여 내산화성 및 내부식성을 증가시키지만, 델타 페라이트 형성 온도 영역을 넓게 한다. 크롬의 함량이 3.0중량%를 초과하게 되면 델타 페라이트 조직이 과량으로 존재하여 강의 강도 및 인성에 악영향을 줄 수 있다.
몰리브덴 0.45~1.25중량%
몰리브덴은 경화능을 증가시키고, 페라이트 안정화하는 동시에 베이나이트 형성을 유도하는 효과가 있고, 강도 또한 향상시킬 수 있기 때문에 강도가 우수할 필요가 있는 크롬-몰리브덴 강에서 필수로 사용되는 원소이다. 다만, 몰리브덴의 함량이 1.25중량%를 초과하게 되면 델타 페라이트 조직이 과량으로 존재하여 강의 가오ㄷ 및 인성에 악영향을 줄 수 있다.
바나듐 0.5중량% 이하
바나듐은 크롬, 몰리브덴과 같이 강도를 향상시키는데 효과적인 원소로서, 강도를 향상시키기 위해 첨가될 수 있다. 바나듐의 함량이 0.5중량%를 초과하게 되면 인성이 저하될 수 있다.
본 발명의 강의 나머지 성분은 철 및 불가피한 불순물을 포함한다. 통상의 제조과정에서 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 알 수 있기 때문에, 그 모든 내용을 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
이하, 본 발명의 크롬-몰리브덴 강의 기지 조직 및 석출물에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 크롬-몰리브덴 강의 기지 조직은 오스테나이트 및 마르텐사이트 조직을 포함하며, 추가로 베이나이트 조직을 포함할 수 있다.
본 발명의 크롬-몰리브덴 강의 석출물은 결정립 계면에 존재하고, 열처리에 의해 기지 조직 내에 부분 고용된다. 상기 석출물은 M23C6 탄화물이며, 여기서 M은 철, 망간, 몰리브덴, 크롬 및 바나듐 중 어느 하나 이상이다. 결정립 계면에 존재하는 석출물의 크기는 10um 미만이며, 석출물이 Special 열처리를 통해 기지 조직(Matrix) 내에 부분 고용되고 부분 고용된 부분은 Matrix보다 높은 경도, 강도를 가지게 되며 구조적으로 콘크리트의 철근 같은 효과를 가지게 된다. 이러한 효과로 소재의 강도와 연신율이 크게 증가하게 된다. 즉, 본 명세서에서 부분 고용이란, 결정립 계면에 존재하는 ㎛ 크기의 석출물이 완전 고용되지 않고, 1nm 이상 및 1㎛ 미만의 nm 단위의 석출물의 크기로 존재하는 것을 의미한다. 부분 고용된 석출물 주위에는 석출물 원소가 농화되어 Matrix보다 높은 원소함량을 가지게 되고, 이러한 원소 농화부는 Matrix보다 높은 경도와 강도를 가지게 된다. 도 3에는, 본 발명의 한 구현예에 따른 크롬-몰리브덴 강에 있어서 결정립 계면에 형성된 석출물이 기지 조직 내에 부분 고용된 모습의 모식도를 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-몰리브덴 강의 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-몰리브덴 강의 제조 방법은, 1) 상술한 조성의 혼합 강재를 900~1200℃에서 1~10시간 동안 열처리하는 단계; 2) 상기 열처리된 혼합 강재를 상온까지 냉각하는 단계; 3) 상기 냉각된 혼합 강재를 550~750℃에서 1~10시간 동안 열처리하여 오스테나이트 결정립 계면에 석출물을 생성하는 단계; 및 4) 상기 석출물이 생성된 혼합 강재를 상기 1) 단계의 열처리 온도보다 높은 최대 온도를 갖는 온도 범위에서 10초~5분 동안 열처리함으로써 상기 석출물을 기지 조직(matrix) 상에 부분 고용시키는 단계;를 포함한다.
상기 상술한 조성의 혼합 강재를 900~1200℃에서 1~10시간 동안 열처리하는 단계는, 혼합 강재를 A3 변태점보다 높은 온도로 가열하여 오스테나이트 조직이 되도록 유도하기 위함이다. 900℃ 미만에서 열처리하는 경우 기지 조직이 충분히 오스테나이트화되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 1200℃ 초과에서 열처리하는 경우 결정립의 조대화로 인해 크롬-몰리브덴 강의 기계적 특성이 열악해질 수 있다. 열처리 시간이 1시간 미만인 경우 충분히 오스테나이트화되지 않을 수 있으며, 10시간 초과인 경우 결정립의 조대화로 인해 크롬-몰리브덴 강의 기계적 특성이 열악해질 수 있다.
상기 열처리된 혼합 강재를 상온까지 냉각하는 단계는, 기지 조직을 마르텐사이트로 변태시키기 위함이다. 여기서, 마르텐사이트 조직과 함께 베이나이트 조직이 함께 형성될 수 있다. 이 때, 냉각 속도 및 조건은, 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있는 조건이면 제한되지 않는다.
상기 냉각된 혼합 강재를 550~750℃에서 1~10시간 동안 열처리하는 단계는, 마르텐사이트 조직을 베이타이트조직으로 변태시키고 구오스테나이트 결정립 계면에 석출물을 생성하기 위함이다. 보다 구체적으로 이 단계에서는, 상기 1) 단계에서 형성된 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직을 A1 변태점 이하에서 재가열하여 인성을 증가시키고, 마르텐사이트 조직이 베이나이트 조직으로 변태되며, 오스테나이트 결정립 계면에서 석출물을 형성한다. 상기 석출물은 M23C6 탄화물이며, 여기서 M은 철, 망간, 몰리브덴, 크롬 및 바나듐 중 어느 하나 이상이다. 550℃ 미만에서 열처리하는 경우 마르텐사이트 조직이 베이나이트 조직으로 충분한 변태가 발생하지 않으며, 750℃ 초과에서 열처리하는 경우 결정립 계면에 조대한 석출물이 형성되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 열처리 시간이 1시간 미만인 경우 석출물 크기를 미세화할 수 있으나, 일부분에 석출물이 집중 분포될 수 있고, 열처리 시간이 10시간을 초과하면 서로 근접한 석출물이 합쳐져 국부적으로 조대한 석출물이 형성될 수 있다.
상기 석출물이 생성된 혼합 강재를 상기 1) 단계의 열처리 온도보다 높은 최대 온도를 갖는 온도 범위에서 10초~5분 동안 열처리하는 단계는, 결정립 계면에 생성된 석출물의 일부를 기지 조직 내에 부분 고용시키기 위함이다. 상기 1) 단계의 열처리 온도보다 높은 최대 온도를 갖는 온도 범위란, 1) 단계의 열처리 온도(예를 들면 1200℃)보다 높은 최대 온도(예를 들면 1200℃ 초과)를 갖는 온도 범위(예를 들면, 1100℃~1200℃ 초과의 특정 온도 범위)를 의미한다. 기지 조직 내에 부분 고용된 석출물의 경도는 기지 조직의 경도보다 높기 때문에, 기지 조직 내에 부분 고용된 석출물은 기지 조직을 지지하는 역할을 하여, 크롬-몰리브덴 강의 강도를 훨씬 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 오스테나이트 결정립 계면에 형성된 석출물이 재고용되어 마르텐사이트 조직을 형성하게 되고, 이러한 마르텐사이트 조직이 오스테나이트 결정립 계면의 변형을 방해하는 피닝 효과(pinning effect)와 콘크리트 안에 철근을 넣어 콘크리트의 단점인 부족한 인장강도를 보완하듯이 석출물의 부분 고용된 지역이 Matrix의 인장강도를 보완한 역할을 하여 강도 및 연신을 높게 할 수 있다.
상기 단계는 1100~1350℃의 온도 범위 또는 1) 단계의 열처리 온도보다 높은 온도에서 열처리될 수 있다. 1100℃ 미만에서 열처리되는 경우 석출물이 충분히 부분 고용되지 않고 수㎛의 석출물이 결정립 계면에 그대로 존재하게 된다. 이 경우 크롬-몰리브덴 강의 오스테나이트 Grain Size가 조대화되고 고용되지 않은 석출물이 인장강도 향상효과가 나타나지 않기 때문에 강도와 연신율은 저하된다. 1350℃ 초과에서 열처리되는 경우 주요 석출물과 Matrix부분에서 부분 액화현상이 발생하고 이러한 액화부분에서 소재의 강도와 연신율이 크게 감소하게 된다.
상기 단계는 10초~5분 동안 열처리된다. 10초 미만으로 열처리되는 경우 석출물이 충분히 부분 고용되지 않고 수㎛의 석출물이 결정립 계면에 그대로 존재하게 된다. 이 경우 크롬-몰리브덴 강의 인정 시험에서 Austenite Grain Size 조대화와 인장응력이 석출물에 집중되어 크롬-몰리브덴 강의 강도 향상 효과가 나타나지 않는다. 5분 초과로 열처리되는 경우 주요 강화 원소인 탄소가 석출물로부터 주변으로 부분 고용되지 않고 기지 조직에 완전 고용되어 마르텐사이트 조직을 형성시키지 않아, 오히려 크롬-몰리브덴의 강도가 약해진다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명할 것이나, 하기의 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
아래 표 1에 기재된 제조예 1 내지 4의 조성을 갖는 혼합 강재를 용해하고, 단조 및 압연을 통해 판재로 제조하였다. 표 1에 기재된 수치의 단위는 중량%이다. 제조예 1의 조성으로 제조된 판재를 1000℃에서 4시간 동안 열처리하고, 열처리된 혼합 강재를 상온까지 냉각하며, 상기 열처리된 혼합 강재를 650℃에서 3시간 동안 템퍼링 열처리하여 오스테나이트 결정립 계면에 석출물을 생성하고, 상기 석출물이 생성된 혼합 강재를 1200℃에서 3분 동안 열처리함으로써 상기 석출물을 기지 조직(matrix) 상에 부분 고용시켜 본 발명의 크롬-몰리브덴 강을 제조하였고 제조된 크롬-몰리브덴 강의 인장강도 및 연신율을 측정하였다. 정확한 실험을 위해, 판재를 열처리하는 단계 및 템퍼링 열처리는 전기로에서 수행하였고, 석출물을 부분 고용시키는 Special 열처리(1100-1350℃)는 Gleeble Test로 진행하였으며, 인장강도 및 연신율을 측정하였다. 아래 표 2에는, 석출물을 부분 고용시키는 열처리 단계의 열처리 온도 및 열처리 시간의 구체적인 조건과, 크롬-몰리브덴 강의 인장강도 및 연신율을 측정한 결과를 나타낸다. 도 2에는, 실시예 1에 따라 제조된 크롬-몰리브덴 강의 SEM 사진으로서, 오스테나이트 결정립 계면에 형성된 석출물이 기지 조직 내에 부분 고용되어 농화부가 형성한 것을 확인할 수 있다. 도 4에는, 실시예 1에 따라 제조된 크롬-몰리브덴 강의 인장강도 및 연신율을 측정한 실험 결과를 나타낸다. 도 5에는, 실시예 2의 열처리 단계 중 시간에 대한 온도 변화 그래프 및 Gleeblee 테스트 중 시간에 대한 온도 변화 그래프를 나타낸다.
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 결정립 계면에 석출된 석출물을 기지 조직 내에 부분 고용시키는 단계를 1100~1350℃ 및 10초~5분 동안 진행한 실시예 1 내지 6의 크롬-몰리브덴 강이, 비교예 1 내지 6의 크롬-몰리브덴 강에 비해 인장 강도 및 연신율이 우수한 것으로 나타났다. 비교예 1 내지 3의 크롬-몰리브덴 강은, 열처리 온도가 높거나 열처리 시간이 길어 결정립 계면에 석출된 석출물이 지나치게 많이 고용되어 마르텐사이트 조직을 충분히 형성하지 않아 오히려 인장강도 및 연신율이 낮아진 것으로 판단되며, 비교예 4 내지 6의 열처리 온도가 낮아 결정립 계면에 석출된 석출물이 충분히 기지 조직 내에 부분 고용되지 않은 것으로 판단된다.
Claims (3)
- 탄소 0.2중량% 이하, 망간 0.4~0.8중량%, 인 0.02중량% 이하, 황 0.025중량% 이하, 실리콘 0.80중량% 이하, 크롬 0.5~3.0중량%, 몰리브덴 0.45~1.25중량%, 바나듐 0.5중량% 이하와 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하고,
오스테나이트 결정립 계면에 석출물이 존재하며,
기지 조직(Matrix) 내에 상기 석출물이 부분 고용되어 마르텐사이트 조직을 형성하고 있는, 크롬-몰리브덴 강. - 제 1 항에 있어서,
상기 석출물은 M23C6 탄화물이며,
상기 M은 철, 망간, 몰리브덴, 크롬 및 바나듐 중 어느 하나 이상인, 크롬-몰리브덴 강. - 제 1 항에 있어서,
고용된 석출물의 크기는 1㎛ 미만인, 크롬-몰리브덴 강.
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